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Functional characterization of ROS-responsive genes, ANAC085 and ATR7, in Arabidopsis thaliana
(2023)
Um das Immunsystem der Pflanze zu manipulieren translozieren gram-negative pathogene Bakterien Typ-III Effektorproteine (T3E) über ein Typ-III Sekretionssystem (T3SS) in die pflanzliche Wirtszelle. Dort lokalisieren T3Es in verschiedenen subzellulären Kompartimenten, wo sie Zielproteine modifizieren und so die Infektion begünstigen. HopZ1a, ein T3E des Pflanzenpathogens Pseudomonas syringae pv. syringae, ist eine Acetyltransferase und lokalisiert über ein Myristolierungsmotiv an der Plasmamembran der Wirtszelle. Obwohl gezeigt wurde, dass HopZ1a die frühe Signalweiterleitung an der Plasmamembran stört, wurde bisher kein mit der Plasmamembran assoziiertes Zielprotein für diesen T3E identifiziert. Um bisher unbekannte HopZ1a-Zieleproteine zu identifizieren wurde im Vorfeld dieser Arbeit eine Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit einer cDNA-Bibliothek aus Tabak durchgeführt, wobei ein nicht näher charakterisiertes Remorin als Interaktor gefunden wurde.
Bei dem Remorin handelt es sich um einen Vertreter der Gruppe 4 der Remorin-Familie, weshalb es in NbREM4 umbenannt wurde. Durch den Einsatz verschiedener Interaktionsstudien konnte demonstriert werden, dass HopZ1a mit NbREM4 in Hefe, in vitro und in planta wechselwirkt. Es wurde ferner deutlich, dass HopZ1a auf spezifische Weise mit dem konservierten C-Terminus von NbREM4 interagiert, das Remorin jedoch in vitro nicht acetyliert. Analysen mittels BiFC haben zudem ergeben, dass NbREM4 in Homodimeren an der Plasmamembran lokalisiert, wo auch die Interaktion mit HopZ1a stattfindet.
Eine funktionelle Charakterisierung von NbREM4 ergab, dass das Remorin eine spezifische Rolle im Immunsystem der Pflanze einnimmt. Die transiente Expression in N. benthamiana induziert die Expression von Abwehrgenen sowie einen veränderten Blattphänotyp. In A. thaliana wird HopZ1a über das Decoy ZED1 und das R-Protein ZAR1 erkannt, was zur Auslösung einer starken Hypersensitiven Antwort (HR von hypersensitive response) führt. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass ZAR1 in N. benthamiana konserviert ist, NbREM4 jedoch nicht in der ETI als Decoy fungiert. Mit Hilfe einer Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit NbZAR1 als Köder konnten zwei Proteine, die Catalase CAT1 und der Protonenpumpeninteraktor PPI1, als Interaktoren von NbZAR1 identifiziert werden, welche möglicherweise in der Regulation der HR eine Rolle spielen.
Aus Voruntersuchungen war bekannt, dass NbREM4 mit weiteren, nicht näher charakterisierten Proteinen aus Tabak interagieren könnte. Eine phylogenetische Einordnung hat gezeigt, dass es sich um die bekannte Immun-Kinase PBS1 sowie zwei E3-Ubiquitin-Ligasen, NbSINA1 und NbSINAL3, handelt. PBS1 interagiert mit NbREM4 an der Plasmamembran und phosphoryliert das Remorin innerhalb des intrinsisch ungeordneten N-Terminus. Mittels Massenspektrometrie konnten die Serine an Position 64 und 65 innerhalb der Aminosäuresequenz von NbREM4 als PBS1-abhängige Phosphorylierungsstellen identifiziert wurden.
NbSINA1 und NbSINAL3 besitzen in vitro Ubiquitinierungsaktivität, bilden Homo- und Heterodimere und interagieren ebenfalls mit dem N-terminalen Teil von NbREM4, wobei sie das Remorin in vitro nicht ubiquitinieren.
Aus den in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass der bakterielle T3E HopZ1a gezielt mit dem Tabak-Remorin NbREM4 an der Plasmamembran interagiert und über einen noch unbekannten Mechanismus mit dem Immunsystem der Pflanze interferiert, wobei NbREM4 möglicherweise eine Rolle als Adapter- oder Ankerprotein zukommt, über welches HopZ1a mit weiteren Immunkomponenten interagiert. NbREM4 ist Teil eines größeren Immunnetzwerkes, zu welchem die bekannte Immun-Kinase PBS1 und zwei E3-Ubiquitin-Ligasen gehören. Mit NbREM4 konnte damit erstmalig ein membranständiges Protein mit einer Funktion im Immunsystem der Pflanze als Zielprotein von HopZ1a identifiziert werden.
The African weakly electric fish genus Campylomormyrus includes 15 described species mostly native to the Congo River and its tributaries. They are considered sympatric species, because their distribution area overlaps. These species generate species-specific electric organ discharges (EODs) varying in waveform characteristics, including duration, polarity, and phase number. They exhibit also pronounced divergence in their snout, i.e. the length, thickness, and curvature. The diversifications in these two phenotypical traits (EOD and snout) have been proposed as key factors promoting adaptive radiation in Campylomormyrus. The role of EODs as a pre-zygotic isolation mechanism driving sympatric speciation by promoting assortative mating has been examined using behavioral, genetical, and histological approaches. However, the evolutionary effects of the snout morphology and its link to species divergence have not been closely examined. Hence, the main objective of this study is to investigate the effect of snout morphology diversification and its correlated EOD to better understand their sympatric speciation and evolutionary drivers. Moreover, I aim to utilize the intragenus and intergenus hybrids of Campylomormyrus to better understand trait divergence as well as underlying molecular/genetic mechanisms involved in the radiation scenario. To this end, I utilized three different approaches: feeding behavior analysis, diet assessment, and geometric morphometrics analysis. I performed feeding behavior experiments to evaluate the concept of the phenotype-environment correlation by testing whether Campylomormyrus species show substrate preferences. The behavioral experiments showed that the short snout species exhibits preference to sandy substrate, the long snout species prefers a stone substrate, and the species with intermediate snout size does not exhibit any substrate preference. The experiments suggest that the diverse feeding apparatus in the genus Campylomormyrus may have evolved in adaptation to their microhabitats. I also performed diet assessments of sympatric Campylomormyrus species and a sister genus species (Gnathonemus petersii) with markedly different snout morphologies and EOD using NGS-based DNA metabarcoding of their stomach contents. The diet of each species was documented showing that aquatic insects such as dipterans, coleopterans and trichopterans represent the major diet component. The results showed also that all species are able to exploit diverse food niches in their habitats. However, comparing the diet overlap indices showed that different snout morphologies and the associated divergence in the EOD translated into different prey spectra. These results further support the idea that the EOD could be a ‘magic trait’ triggering both adaptation and reproductive isolation. Geometric morphometrics method was also used to compare the phenotypical shape traits of the F1 intragenus (Campylomormyrus) and intergenus (Campylomormyrus species and Gnathonemus petersii) hybrids relative to their parents. The hybrids of these species were well separated based on the morphological traits, however the hybrid phenotypic traits were closer to the short-snouted species. In addition, the likelihood that the short snout expressed in the hybrids increases with increasing the genetic distance of the parental species. The results confirmed that additive effects produce intermediate phenotypes in F1-hybrids. It seems, therefore, that morphological shape traits in hybrids, unlike the physiological traits, were not expressed straightforward.
Untersuchung und Veränderung der Genexpression und Proteinstabilität in Plastiden höherer Pflanzen
(2009)
Starch is an essential biopolymer produced by plants. Starch can be made inside source tissue (such as leaves) and sink tissue (such as fruits and tubers). Nevertheless, understanding how starch metabolism is regulated in source and sink tissues is fundamental for improving crop production.
Despite recent advances in the understanding of starch and its metabolism, there is still a knowledge gap in the source and sink metabolism. Therefore, this study aimed to summarize the state of the art regarding starch structure and metabolism inside plants. In addition, this study aimed to elucidate the regulation of starch metabolism in the source tissue using the leaves of a model organism, Arabidopsis thaliana, and the sink tissue of oil palm (Elaeis guineensis) fruit as a commercial crop.
The research regarding the source tissue will focus on the effect of the blockage of starch degradation on the starch parameter in leaves, especially in those of A. thaliana, which lack both disproportionating enzyme 2 (DPE2) and plastidial glucan phosphorylase 1 (PHS1) (dpe2/phs1). The additional elimination of phosphoglucan water dikinase (PWD), starch excess 4 (SEX4), isoamylase 3 (ISA3), and disproportionating enzyme 1 (DPE1) in the dpe2/phs1 mutant background demonstrates the alteration of starch granule number per chloroplast. This study provides insights into the control mechanism of granule number regulation in the chloroplast.
The research regarding the sink tissue will emphasize the relationship between starch metabolism and the lipid metabolism pathway in oil palm fruits. This study was conducted to observe the alteration of starch parameters, metabolite abundance, and gene expression during oil palm fruit development with different oil yields. This study shows that starch and sucrose can be used as biomarkers for oil yield in oil palms. In addition, it is revealed that the enzyme isoforms related to starch metabolism influence the oil production in oil palm fruit.
Overall, this thesis presents novel information regarding starch metabolism in the source tissue of A.thaliana and the sink tissue of E.guineensis. The results shown in this thesis can be applied to many applications, such as modifying the starch parameter in other plants for specific needs.
From dark to light
(2016)